大數據背景下的生態系統觀測與研究

 

中國網/中國發展門戶網訊  隨著人類命運共同體、可持續發展、生態安全等一系列全球生態環境問題成為新時期人類社會發展面臨的現實問題，生態文明建設成為中華民族永續發展的千年大計，這對生態學的研究提出了新的要求。如何實現從小尺度到大尺度（全球）、從短期到長期的觀測，獲取全球尺度生態系統觀測數據，認知區域乃至全球生態系統動態變化規律，保護和恢復生態系統是當前生態系統觀測研究面臨的重大挑戰。國際生物學計劃（International Biological Program，1964—1974 年）的實施，逐步形成了生態學領域「大科學、大數據」理念，即通過實施大科學工程，獲取海量觀測數據，開展協同科學研究。隨後催生了長期生態學研究網絡（LTER），標誌著生態學領域進入「大科學、大數據」時代。當前區域／全球尺度的網絡化生態系統長期觀測成為獲取大尺度生態信息的重要平臺，如 LTER、英國環境變化監測網絡（ECN）、中國生態系統研究網絡（CERN）等，使得獲取海量、大尺度、多源異構生態數據成為可能。生態學已從一門依靠小規模合作與短時間個人觀測的實驗學科演化為一門實施長時間大規模觀測、跨學科合作的大數據學科。

在大數據時代，如何獲取海量生態數據，如何基於大數據實現生態學「大」理論的發展和突破，服務於新時期生態文明建設等重大問題的解決，具有重要意義。本文首先論述了目前生態系統觀測研究現狀，其次分析了大數據時代生態系統觀測研究特徵，最後提出了我國大數據背景下的生態系統觀測研究發展建議。

生態系統觀測研究現狀

縱觀生態學發展的歷程和趨勢，目前生態系統觀測研究呈現以下特徵。

生態觀測技術迅猛發展，全球新一代生態觀測研究網絡逐步形成

生態系統觀測與實驗是獲取生態數據的重要手段。近年來，生態觀測技術發展迅猛，極大地提升了微觀和宏觀尺度生態觀測數據的獲取能力。例如：分子標記引入生態學領域引發了宏觀生物學研究的革命；穩定同位素技術可追蹤碳、氮、水等地球化學循環過程；高通量野外觀測技術，如渦度相關技術實現了對生態系統功能變化的直接測定。全球新一代多尺度生態觀測研究網絡逐步形成，如基於物聯網、自動觀測、融合地面和遙感觀測的美國國家生態觀測網絡（NEON）與澳大利亞生態觀測研究網絡（TERN）成為新一代大陸尺度生態觀測研究網絡的代表。這些新一代生態觀測研究網絡使用了大量生態觀測傳感器，涵蓋多種觀測指標，採集海量多源異構數據，為生態學研究進入「大數據時代」奠定了堅實的基礎。

生態系統與全球變化成為生態學研究熱點，跨尺度整合成為生態學研究前沿問題

隨著人類活動對地球系統的影響日益加深，陸地表層的生態學過程發生強烈變化，生態系統服務局部顯著下降，而人口增加和生活水平的提高則對生態系統服務提出更高要求。全面認識生態系統的結構功能及其與環境變化的關係成為現代生態學研究的重點，也是應對全球氣候變化、生物多樣性保護和維持生態系統功能的核心研究內容。同時，面對生態系統的複雜性和多尺度等特徵，目前還沒有發展出統一的大理論對多個層次的眾多過程在多時間尺度上進行概括，也沒有建立一套有效的方法開展多尺度的定量描述和整合分析。因此，如何整合不同尺度的生態學過程，使從分子到個體層次的生態學現象能夠在現實的生態系統格局和過程中得到體現，實現理論上的發展；如何在全球尺度開展跨生態系統研究，實現對從大陸到全球尺度的生態學過程認識，從而更好地管理生態系統，為社會和人類福祉服務，是當前生態學的研究前沿。

大數據時代生態系統觀測研究的特徵

隨著生態學從分子尺度到全球尺度的研究，實現多尺度、多要素、多過程海量生態觀測數據的獲取，實現傳統的基於過程的生態學研究與基於大數據驅動的生態學研究的有機整合，推動生態學大理論發展、區域及全球生態系統演變機理研究，形成開放共享的大數據文化，支撐以應對全球氣候變化、生物多樣性保護和生態系統功能維持為核心的人類社會可持續發展理論和應用研究，是大數據時代生態觀測研究面臨的重大挑戰及機遇（圖 1）。

 

天-空-地多尺度觀測技術和公民科學的發展是獲取生態大數據的重要驅動力

隨著生態學向著分子尺度（超微觀）和全球尺度（超宏觀）兩個極限不斷擴展研究領域，生態觀測正從傳統的、不連續的樣方地面觀測向「天-空-地」多尺度、多要素、多過程的綜合觀測轉變，從由單一的生態學研究人員參與向全民參與的「公民科學」模式轉變。以物聯網技術為支撐的多尺度、多要素、多過程的生態觀測體系逐漸成為新一代生態觀測系統的重要特徵。即藉助多種物聯網通信手段，形成「天-空-地」一體化的塔群式協同觀測系統（圖 2a），集成小尺度的個體儀器、通量塔，到區域/全球尺度的無人機和衛星等傳感器載體，通過 WiFi、ZigBee 等物聯網技術組建通訊便捷的局域觀測網絡，實現生態觀測數據的實時傳輸、遠程控制和智能報警，實現生態系統多尺度（從分子水平到全球範圍）、多要素（水、土、氣、生等）、多過程（碳循環、水循環、能量循環等）觀測數據的穩定獲取。

大尺度生態學研究需要不同學科背景的科研人員參與，也離不開社會公眾參與（圖 2b）。網際網路技術的發展，促進了公民科學發展。近年來，全世界建立了許多公民科學項目平臺，利用「公民科學家」參與收集更多環境數據。例如，美國的 BudBurst 項目吸引全美人民合作收集植物生命周期數據，幫助發現植物如何應對環境變化。公民科學項目逐漸成為生態大數據的另一個重要來源。

 

 

 

 

多源、多尺度數據整合挖掘與模擬預測成為大數據時代生態學研究的重要手段

遙感數據、長期定位觀測數據、實驗以及模型模擬數據的快速膨脹有力地促進了生態數據挖掘和分析技術的發展。多源、多尺度整合挖掘與模擬預測成為大數據時代生態學研究的重要手段。大數據支持下的生態數據整合挖掘方法包括三大類：① Meta 分析方法；②基於數據驅動的數據挖掘方法；③基於過程機理的模型—數據融合方法。其中 Meta 分析主要是從已有研究案例中，對多個有共同研究目標又相互獨立的研究結果給予定量合併，剖析研究間差異特徵，綜合評價研究結果；以深度學習為代表的人工智慧數據挖掘技術，能夠實現多種生態要素之間的深層神經網絡式映射關係，有望在已有生態學框架下獲取新的認知，繼而反推潛在的生態學內部機理；由於人們無法通過觀測和控制實驗等方法全面獲取或者預測區域/全球尺度生態系統狀況，計算機模擬分析大尺度生態系統結構和功能變化成為生態模擬預測的一個重要途徑。雖然生態觀測數據量日益增多，但模型模擬的不確定性仍然顯著，而基於過程機理的模型數據融合方法為應用海量數據進行模型評估、基準測試和約束以降低不確定性提供了新的途徑。這些方法為及時、有效地集成挖掘不同站點、區域、時間序列、生態系統過程和要素的觀測和實驗數據，揭示生態系統過程機理、變異規律、對環境因子的響應等普遍規律，以及服務於生態系統管理和決策提供了重要手段。

生態大數據推動生態學「大理論」和新興學科的發展

由於生態學研究對象的複雜化和長期、海量觀測數據的缺失，導致研究人員對生態過程和模式的認知都存在極大不確定性，生態學尚未發展出一個能夠被廣泛接受、在最大程度上解釋及精確預測不同尺度上生態學現象和過程的統一化理論框架^[6]。受數據洪流影響，以數據為中心思考、設計和實施科學研究，通過對海量數據的處理和分析來獲得科學發現的新範式（第四範式）正逐漸在生態學中出現。同時，大數據時代更需要發展高效的大理論，即從基本原理出發，用最少的參數做出大量的理論預測。由於生態系統組成的多樣性及其相關關係的複雜性，不管獲得的數據量有多大，如果沒有大理論支撐，大數據將會在很大程度上失去其力量和有效性，不得不依賴於統計相關性而進行簡單的歸納分析，永遠都無法準確預測生態系統變化。只有在海量多尺度、多要素、多過程生態數據支撐下，準確認識生態系統的過程和模式，才可能發展一個統一化的理論框架，集成多源、多尺度數據整合技術和生態模擬預測技術，才能提高生態系統屬性和生態過程的預測能力，促進新的生態學科，如宏生態學、預測生態學的發展。

數據開放共享文化亟待培養加強

大數據時代，只有形成開放共享、協同合作的大數據文化，才能真正發揮生態大數據的價值。觀測數據是生態學研究的生命線，生態學家將自己的觀測數據視為珍寶。大數據時代，只有打破數據封閉的傳統模式，形成開放共享的「數據思維」模式，才有可能解決大尺度大生態問題。數據眾包採集、數據出版與數據標識等新穎的數據獲取和智慧財產權保護方式的深入應用，也將促進生態領域的數據開放共享。

大數據背景下我國生態系統觀測研究的展望

自 20 世紀 80 年代長期生態研究計劃的實施起，生態學研究已與「大科學、大數據」理念緊密耦合。中國生態系統研究網絡（CERN）自 1988 年開始建立，已形成由 44 個觀測臺站組成的涵蓋我國不同生態系統類型的觀測研究網絡，積累了大量科學數據。在大數據時代，一方面利用大數據技術，充分整合挖掘我國已有數據資源，推動生態學研究發展；同時應遵循「大科學、大數據」理念，充分應用傳感器、物聯網、大數據技術，實施生態大科學工程計劃，實現生態系統觀測研究的跨越發展，有效地支撐國家生態文明建設。

在數據開放共享基礎上，積極推動生態數據整合挖掘研究。我國在生態系統結構和功能等方面進行了長期觀測和研究，積累了大量數據。例如：CERN收集了我國不同生態系統的長期觀測實驗數據，中國陸地生態系統通量觀測研究網絡（ChinaFLUX）進行了長達15年的碳水通量監測；「地球科學大數據工程」的實施，提供了先進的大數據整合挖掘手段，為開展全國尺度的生態系統結構、功能、過程以及重大科學問題的綜合集成研究奠定了基礎。

積極推動「中國陸地生態系統觀測研究網絡」大科學工程建設（圖3）。實現國家尺度的天-空-地一體化、觀測-實驗-模擬三位一體、多尺度-多要素-多過程協同觀測，覆蓋全國不同生態區的分布式、網絡化觀測和實驗科學設施，實現國家尺度的聯網觀測、聯網實驗、模擬與預測。從而實現我國生態觀測研究與全球生態觀測研究體系融合，實現在區域、國家及全球尺度上觀測地球生命系統變化，診斷生態系統功能狀態，理解生態系統過程機理、維持和保護生態系統功能，服務人類社會可持續發展的科技目標。（作者：於貴瑞 何洪林 周玉科 中國科學院地理科學與資源研究所生態系統網絡觀測與模擬重點實驗室 北京 中國科學院大學資源與環境學院 北京 。《中國科學院院刊》供稿）